基于光纖傳感器的結構健康監測系統的研究

廖付陽，楊東儒，趙小波，姚英邦，陶 濤，梁 波，肖志明，魯圣國（通信作者）

（1 廣東省智能材料和能量轉化器件工程技術研究中心 廣東 廣州 510006）

（2 廣東省功能軟凝聚態物質重點實驗室 廣東 廣州 510006）

（3 廣東工業大學材料與能源學院 廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著科學技術和現代工業的快速發展，人民群眾的生活水平正在不斷提高。目前工程結構正在向大型化、多樣化、復雜化方向發展，例如航空航天、土木建筑、橋梁、軍事設施等工程結構貫穿人類生活的方方面面，安全歷來都是最受人們關注的熱點問題。如何避免建筑結構因材料老化，服役時環境的影響、疲勞效應以及其他方面的物理化學影響下發生災難性的事故，結構健康監測技術的研究逐漸成為工程領域一個十分重要的研究課題。這些大型結構如房屋、橋梁、堤壩等的使用壽命往往長達幾十年甚至上百年，如果不能預見因結構損傷帶來的突發事故，很可能會造成非常嚴重的影響，對人們的生命財產以及國家安全造成極大的破壞[1]。

隨著人工智能、物聯網技術與傳感器技術的應用，“可穿戴”的健康監測系統即接觸式傳感系統也得到了進一步發展，不論是應用于人體還是應用于結構的健康監測系統（structural health monitoring,SHM）[2-3]，如今普遍存在靈敏度不高、信噪比較低以及分析結果誤差較大等問題。懸臂梁結構較為簡單，在實驗中對其結構等效后易于研究。對基于固有頻率識別的結構健康監測系統，接觸式傳感器往往會對被測結構產生一定影響。因此，本文針對非接觸式激光測振儀、搭配數據采集系統，對不同材料及損傷結構懸臂梁進行了測試，研究了結構損傷于監測信號的對應關系。

1 研究方法

1.1 基本原理

1.1.1 虛擬儀器概述

在工業測試，故障診斷、模態分析等各個領域中測試儀器的應用是非常廣泛的，專用的動態測試分析儀器精度高、功能多，但是造價昂貴操作也比較復雜，最重要的是無法擴展。而隨著電子技術的飛速發展，計算機的強大功能愈加突出，利用這些相關技術實現了傳統儀器的部分或全部功能，并基本克服了上述缺點。因此虛擬儀器應運而生[4]。

搭配NI 的數據采集卡，設計基于Labview[5]平臺的一套能夠實時監測傳感器的振動數據采集軟件系統，數據采集軟件前面板與主要程序框圖分別見圖1 和圖2。

1.1.2 損傷識別辦法

基于固有頻率的結構損傷識別辦法[6]，在眾多基于模態參數識別的方法中，是較容易實現的。因為固有頻率容易獲取，且損傷的發生造成結構剛度降低、阻尼增加，造成固有頻率的損失，而結構質量的變化可以忽略不計。結構的固有頻率與其剛度、彈性模量相關。因此，基于固有頻率的損傷識別辦法已經被廣泛用于結構健康監測中[7]。

根據歐拉-伯努利懸臂梁模型，得到等截面梁的動力學方程[8]：

懸臂梁的主振型即式（1）的解設為：

將式（2）代入式（1）中可得：

其中C i(i= 1 - 4)和ω應滿足的頻率方程由懸臂梁的邊界條件確定。

當懸臂梁的初始條件為一端固定，一端自由時，固定端撓度和截面轉角為0，即φ(0) = 0，φ′ (0) = 0,自由端的彎矩和截面剪力為0，即φ′ (l) = 0,φ′(l) = 0,代入式（4）可得：

解出上述頻率方程可得：當i=1，2，3 時，1lβ=1.875，β2l=4.694，β3l=7.855;當i≥3 時π（i=3，4，…）。

各階固有頻率為：

因此，結構固有頻率與其健康狀態有關。當結構發生損傷時，相應的固有頻率也發生變化。

1.2 實驗系統

1.2.1 實驗試件

實驗試件選用了兩種材料，第1 種材料為6 061 鋁合金，材料參數為彈性系數68.9 GPa，泊松比0.33。第2種材料為Q235 碳鋼，材料參數為彈性系數為2e11Pa，泊松比為0.31，密度為7 850kg/m3。懸臂梁尺寸見圖3，外形尺寸為420 mm×25 mm×4 mm。其中固定端深入長度為20 mm，振動長度為600 mm。通過激光切割在懸臂梁上切掉長度不等的圓環形缺口來模擬損傷，不同類型尺寸的懸臂梁實驗試件的損傷長度分別120 mm 和80 mm。為了表述方便，將損傷長度為120 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為A，損傷長度為80 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為B，將未損傷碳鋼懸臂梁試件定為C，損傷長度為120 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為D，損傷長度為80 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為E，未損傷6 061 鋁合金懸臂梁試件定為F[9]。

1.2.2 實驗裝置

搭建好的實驗裝置見圖4。物品清單分別是：臺虎鉗，90 度角碼，M10 螺母，實驗試件，砝碼，光纖傳感器，數據采集卡，臺式計算機。以下詳細介紹各個部件作用及參數。

（1）臺虎鉗的作用是為了固定連接實驗試件的90 度角碼。選用的是滿安五金公司生產的5 寸重型臺虎鉗，總質量為11 kg。為了系統的穩定性且不影響實驗試件的自由運動，臺虎鉗的質量相較于實驗試件應該足夠大。

（2）90 度角碼的作用是連接并穩定實驗試件，一頭使用螺母固定實驗試件，一頭夾在鉗口里面。因為臺虎鉗的鉗口朝上而實驗試件為橫向放置。

（3）M10 螺母是為了固定角碼和實驗試件。

（4）實驗試件已在上節介紹。

（5）砝碼的作用是為了給實驗試件一個初始速度。

（6）信號調理電路板為定制的電路板。

（7）數據采集卡選用的是NI 公司的USB-6001。

（8）裝有數據采集軟件的計算機為個人電腦。

2 過程討論

2.1 實驗步驟

將實驗系統按圖示正確連接好之后，用輕繩將砝碼系在懸臂梁的自由端。將測振控制器接上電源，速度解碼口連接到數據采集卡，然后將數據采集卡通過USB接口連接到PC機。實驗證明，將控制器的速度檔位設置成50 mm/s/V 得到的結果較為良好。然后將激光測振儀通過專用光纜連接到測振控制器，最后調節光纖探頭聚焦，確保打在懸臂梁上的激光能夠反射回探頭，測振控制器里有個信號指示燈，當反射回光纖探頭的信號達到要求時，就可以開始振動實驗了。打開PC 機運行Labview 程序。點擊前面板的開始采集按鈕啟動數據采集，待系統穩定之后，然后馬上用剪刀剪短細繩，此時懸臂梁會做自由振動，光纖傳感器將振動信號轉化為模擬電壓信號輸出到PC 機[10]。待懸臂梁恢復到平穩狀態之后，點擊前面板的停止采集按鈕，然后保存數據。

2.2 實驗結果

2.2.1 Q235 碳鋼懸臂梁

以下數據均為在采樣率設置為500 S/s 的條件下采集得到，在剪短細繩之后，懸臂梁在豎直方向上做往復衰減運動。由于是先啟動上位機的數據采集程序，然后再剪短細繩。所以有些時域信號一開始幾乎處于0 的位置。待系統穩定下來之后，結束數據采集程序。把數據導出至Excel，采用Python 做數據分析。

圖5 ～7 分別為試件A、B、C 的實驗結果。從圖中時間信號可以看出，懸臂梁從振動狀態恢復至平穩狀態隨著損傷的程度越大恢復時間越長。這是由于損傷的存在導致剛度下降，所以恢復的時間變長。健康懸臂梁從非平衡位置恢復到平衡位置所消耗的時間，幾乎是有損傷懸臂梁的1/3。這也從側面說明，當結構出現損傷時穩定性也會一定程度上降低幾個數量級。從頻域的角度看，A、B、C 3個試件中，每個頻域圖都出現了極大值，這與上述相關理論知識是相符的。其中C 的固有頻率最高，為57.72 Hz，對應的是健康狀態下的懸臂梁的固有頻率，A 的固有頻率最低，為46.32 Hz。隨著損傷的程度越大，對應固有頻率降低，從而以固有頻率的降低為指標，判定結構是否發生損傷。實驗結果說明，通過固有頻率來監測結構損傷是可行的，也與實際理論相對應。

頻譜圖中，每個實驗試件固有頻率點對應的幅值都比較大，這是因為在數據處理的過程中，沒有對幅值做歸一化處理，而且幅值也不是主要的關注對象，因此每個實驗試件固有頻率所對應的幅值都比較大。

2.2.2 6 061 鋁板懸臂梁

為了分析不同材料對于固有頻率識別損傷的可靠性，搭建了鋁合金材料的實驗系統，獲取了鋁合金材料在同樣條件下的振動特性。圖8 ～10 分別為試件D、E、F 的實驗結果。從圖中可以看出，健康狀態下的鋁合金懸臂梁的固有頻率比碳鋼高。結合其他兩種不同損傷情況的懸臂梁可以看出，鋁合金懸臂梁從非平衡狀態恢復至平衡狀態的時間相較于碳鋼要稍長一些，這是因為鋁合金的彈性模量遠低于碳鋼的彈性模量。從頻域上角度看，D、E、F 3 個試件中，其中F 的固有頻率最高，為67.53 Hz，對應的是健康狀態下鋁合金懸臂梁的固有頻率。D 的固有頻率最低，為51.21 Hz。總體上符合隨著損傷程度的增大，結構的固有頻率明顯降低這一規律。

3 結論

本文利用光纖傳感器，通過Labview 編寫數據采集系統，搭建了一套能夠實時監測懸臂梁振動信號的結構健康監測系統。經過實驗驗證，可以準確提取結構的振動信號并提取損傷特征。對于碳鋼材料懸臂梁，健康狀態下提取的固有頻率是57.72 Hz。當發生損傷時，下降到54.26 Hz。當損傷進一步擴大時，固有頻率下降為46.32 Hz。當懸臂梁材料為鋁合金時，也得出了類似的結論。

該結構健康監測系統利用多普勒原理計算結構的振動速度或位移，輸出精度高。本文說明依據固有頻率識別結構損傷的可靠性，可在更復雜的結構損傷識別情況中推廣。